Авербах В.С. Учебное пособие-Введение в вычислительные сети

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.22. Схема объединения ЛВС и Internet

Сегодня стек ТСР/IР представляет собой один из самых распространенных

стеков протоколов вычислительных сетей. Только в сети Internet объединено более

10 миллионов компьютеров по всему миру, которые взаимодействуют друг с другом

с помощью стека протоколов ТСР/IР. Рассмотрим основные протоколы всех

уровней сетевой модели Internet.

9.8.Уровень доступа к сети

К этому уровню отнесены протоколы, определяющие соединение с Internet,

например, SLIP (Serial Line Internet Protocol) - протокол передачи данных по

телефонным линиям, PPP (Point to Point Protocol) – протокол соединения "точка-

точка", протоколы Ethernet IEEE 802.03, Token Ring, ATM и др.

SLIP (Serial Line Internet Protocol). Это устаревший сетевой протокол

канального уровня эталонной сетевой модели OSI для доступа к сетям стека TCP/IP

через низкоскоростные линии связи путем простой инкапсуляции IP-пакетов.

Используются коммутируемые соединения через последовательные порты для

соединений клиент-сервер типа точка-точка. В настоящее время вместо него

используют более совершенный протокол PPP

PPP (Point-to-Point Protocol). Это протокол точка-точка. Это механизм для

создания и запуска IP и других сетевых протоколов на последовательных линиях

связи.

Протокол РРР является основой для всех протоколов канального уровня.

Связь по протоколу РРР состоит из четырёх стадий: установление связи

(осуществляется выбор протоколов аутентификации, шифрования, сжатия и

определяются параметры соединения), установление подлинности пользователя,

контроль повторного вызова РРР (необязательная стадия, в которой подтверждается

подлинность удалённого клиента), вызов протокола сетевого уровня. Обычно

используется для установки прямых соединений между двумя узлами. Широко

применяется для соединения компьютеров с помощью телефонной линии. Также

используется поверх широкополосных соединений. Многие Internet-провайдеры

используют PPP для предоставления коммутируемого доступа в Internet.

101

9.9.Сетевой уровень модели Internet

К сетевому уровню относятся протоколы, которые отвечают за отправку и

получение данных, или, другими словами, за соединение отправителя и получателя.

Протокол IP. Является самым главным во всей иерархии протоколов

семейства TCP/IP. Именно он используется для управления рассылкой TCP/IP

пакетов по сети Internet. Важнейшие функции протокола IP:

определение пакета, который является базовым понятием и единицей

передачи данных в сети Internet; многие зарубежные авторы называют такой IP-

пакет датаграммой;

определение адресной схемы, которая используется в сети Internet;

передача данных между канальным уровнем (уровнем доступа к сети) и

транспортным уровнем;

маршрутизация пакетов по сети, т.е. передача пакетов от одного шлюза к

другому с целью передачи пакета узлу-получателю;

"нарезка" и сборка из фрагментов пакетов транспортного уровня.

Главными особенностями протокола IP является отсутствие ориентации на

физическое или виртуальное соединение. Это значит, что прежде чем послать пакет

в сеть, модуль операционной системы, реализующий IP, не проверяет возможность

установки соединения, т.е. никакой управляющей информации кроме той, что

содержится в самом IP-пакете, по сети не передается. Кроме этого, IP не заботится о

проверке целостности информации в поле данных пакета, что заставляет отнести его

к протоколам ненадежной доставки. Целостность данных проверяется протоколами

транспортного уровня (TCP) или протоколами приложений.

Таким образом, вся информация о пути, по которому должен пройти пакет,

формируется в самой сети в момент прохождения пакета. Именно эта процедура и

называется маршрутизацией в отличие от коммутации, которая используется для

предварительного установления маршрута следования данных, по которому потом

эти данные отправляют.

102

Принцип маршрутизации является одним из тех факторов, который обеспечил

гибкость сети Internet и её преимущество в сравнении с другими сетевыми

технологиями. К сетевому уровню относят также протоколы, выполняющие

вспомогательные функции по отношению к IP. Это прежде всего протоколы

маршрутизации RIP и OSPF, занимающиеся изучением топологии сети,

определением маршрутов и составлением таблиц маршрутизации, на основании

которых протокол IP перемещает пакеты в нужном направлении. Также к сетевому

уровню относятся ещё два протокола:

ICMP (Internet Control Message Protocol). Протокол используется для

рассылки информационных и управляющих сообщений. При этом используются

следующие виды сообщений:

Flow control - если принимающий узел (шлюз или реальный получатель

информации) не успевает перерабатывать информацию, то данное сообщение

приостанавливает отправку пакетов по сети;

Detecting unreachаble destination - если пакет не может достичь места

назначения, то шлюз, который не может доставить пакет, сообщает об этом

отправителю пакета. Информировать о невозможности доставки сообщения может и

машина, чей IP-адрес указан в пакете. Только в этом случае речь будет идти о

портах TCP и UDP, о чем будет сказано чуть позже;

Redirect routing - это сообщение посылается в том случае, если шлюз не может

доставить пакет, но у него есть на этот счет некоторые соображения, а именно адрес

другого шлюза;

Checking remote host - в этом случае используется так называемое ICMP Echo

Message. Если необходимо проверить наличие стека TCP/IP на удаленной машине,

то на нее посылается сообщение этого типа. Как только система получит это

сообщение, она немедленно подтвердит его получение;

IGMP (Group Management Protocol). Это протокол групповой рассылки,

направляющий пакеты сразу по нескольким адресам.

Развитие протокола IP. Протокол IPv6 (Internet Protocol version 6)- это новая

версия протокола IP, призванная решить проблемы, с которыми столкнулась

103

предыдущая версия (IPv4) при её использовании в Internet. В настоящее время

протокол IPv6 уже используется в нескольких сотнях сетей по всему миру, но пока

ещё не получил широкого распространения в Internet, где преимущественно

используется IPv4. Протокол был разработан организацией IETF.

Протокол IP в настоящее время столкнулся с рядом проблем, таких как

проблема масштабируемости сети, неприспособленность протокола к передаче

мультисервисной информации с поддержкой различных классов обслуживания,

включая обеспечение информационной безопасности. Указанные проблемы

обусловили развитие классической версии протокола IPv4 в направлении разработки

версии IPv6. При этом к проблемам масштабируемости протокола IPv4 следует

отнести следующие:

недостаточность объёма 32-битного адресного пространства;

сложность агрегирования маршрутов, разрастание таблиц маршрутизации;

сложность массового изменения IP-адресов;

относительная сложность обработки заголовков пакетов IPv4.

Кроме того, масштабируемость IP-сетей следует рассматривать не только с

точки зрения увеличения числа узлов, но и с точки зрения повышения скорости

передачи и уменьшения задержек при маршрутизации.

В связи с этим было разработано множество версий протокола IP для

различных вычислительных платформ и операционных систем. До некоторого

момента существовало несколько альтернативных вариантов протокола IP нового

поколения. В июле 1994 года была принята версия протокола нового поколения,

получившего название IPv6. В технической литературе эту версию протокола ещё

называют IPng (IP next generation), хотя иногда под IPng понимают все варианты

модернизации IP, включая также не вошедшие в проект IPv6, но продолжающие

развиваться. Документом, фиксирующим появление IPv6, является спецификация

RFC 1752 "The Recommendation for the IP Next Generation Protocol". Базовый набор

протоколов IPv6 был принят IETF в сентябре 1995 г. и получил статус Proposed

Standard.

104

В спецификации RFC 1726 представлен набор функций, основными среди них

являются:

масштабируемость: идентификация и определение адресов как минимум 10

конечных систем и 10

индивидуальных сетей;

топологическая гибкость: архитектура маршрутизации и протокол должны

работать в сетях с различной топологией;

преемственность: обеспечение чёткого плана перехода от существующей

версии IPv4;

независимость от среды передачи: работа среди множества сетей с

различными средами передачи данных со скоростями до сотен гигабит в секунду;

автоматическое конфигурирование хостов и маршрутизаторов;

безопасность на сетевом уровне;

мобильность: обеспечение работы с мобильными пользователями, сетями и

межсетевыми системами;

расширяемость: возможность дальнейшего развития в соответствии с новыми

потребностями.

В результате реализации заявленных функций важнейшие инновации IPv6

состоят в следующем:

упрощен стандартный заголовок IP-пакета;

изменено представление необязательных полей заголовка;

расширено адресное пространство;

улучшена поддержка иерархической адресации, агрегирования маршрутов и

автоматического конфигурирования адресов;

введены механизмы аутентификации и шифрования на уровне IP-пакетов;

введены метки потоков данных.

При этом в IPv6 все изменения планировались таким образом, чтобы

минимизировать изменения на других уровнях протокольного стека TCP/IP. В

результате размер IP-адреса увеличен до 128 бит. Даже с учётом неэффективности

использования адресного пространства, являющейся оборотной стороной

эффективной маршрутизации и автоматического конфигурирования, этого

105

достаточно, чтобы обеспечить объединение миллиарда сетей, как того требовали

документы IETF. Обеспечена возможность простого и гибкого автоматического

конфигурирования адресов для сетей произвольного масштаба и сложности. IPv6

является расширяемым протоколом, причём поля расширений (дополнительные

заголовки) могут добавляться без снижения эффективности маршрутизации.

9.10.Протоколы транспортного уровня Internet

В Internet транспортный уровень представлен двумя протоколами TCP

(Transport Control Protocol – протокол контроля передачи) и UDP (User Datagramm

Protocol) – протокол передачи датаграмм. Если предыдущий уровень (сетевой)

определяет только правила доставки информации, то транспортный уровень

отвечает за целостность доставляемых данных.

Протоколы транспортного уровня могут решать проблему негарантированной

доставки сообщений ("дошло ли сообщение до адресата?"), а также гарантировать

правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные

протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные.

Протокол TCP. Это "гарантированный" транспортный механизм с

предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению

безошибочный поток данных, перезапрашивающий данные в случае потери и

устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть,

а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния.

TCP гарантирует, что полученные данные сформированы в той же

последовательности, в которой они были отправлены. В этом его главное отличие от

UDP.

Протокол UDP. Протокол передачи датаграмм без установления соединения.

Также его называют протоколом "ненадёжной" передачи, в смысле невозможности

удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания

пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных,

используется протокол TCP.

UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео, где

допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в

106

приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание

соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.

Как видно из сетевой модели Internet, в ней отсутствуют сеансовый

(уровень сессии) и представительский уровень. Условно к уровню сессии можно

отнести механизм портов протоколов TCP и UDP. Функции уровня

представления, необходимого для преобразования данных из промежуточного

формата сессии в формат данных приложения, в Internet возложены на

прикладные программы.

9.11.Прикладной уровень Internet

На этом уровне работает большинство сетевых приложений. Эти программы

имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для

WWW, FTP (передача файлов), SMTP(передача почты), DNS (преобразование

символьных имён в IP - адреса) и многие другие. В массе своей эти протоколы

работают поверх TCP или UDP (используют их на транспортном уровне) и

привязаны к определённому порту. По номеру порта транспортные протоколы

определяют, какому приложению передать содержимое пакетов. Порты могут

принимать значение от 0 до 65538.

Номера портам присваиваются таким образом: имеются стандартные номера

(например, номера 20, 21 закреплены за сервисом FTP, 23 - за TELNET, 80 - за

HTTP), а менее известные приложения пользуются произвольно выбранными

локальными номерами (как правило, больше 1024), некоторые из них также

зарезервированы.

Список некоторых стандартных номеров портов (RFC-1700, 1994 г.) приведён

в табл.8.

Таблица 8

Порт Служба Описание

0 - Зарезервировано

20 ftp-data Канал передачи данных для FTP

21 ftp Передача файлов

23 telnet Сетевой терминал

25 SMTP Передача почты

37 time Синхронизация времени

107

53 DNS Доменные имена

67 bootps BOOTP и DHCP - сервер

68 bootps BOOTP и DHCP - клиент

69 tftp Упрощенная передача почты

80 HTTP Передача гипертекста

110 POP3 Получение почты

119 NNTP Конференции

123 NTP Синхронизация времени

137 netbios-ns NETBIOS - имена

138 netbios-dgm NETBIOS Datagram Service

139 netbios-ssn NETBIOS Session Service

143 imap2 Получение почты

161 SNMP Протокол управления

213 IPX IPX - протокол

220 imap3 Получение почты

443 HTTPs HTTP •с шифрованием

520 RIP Динамическая маршрутизация

Диапазон 1024-65535

1024 - Зарезервировано

6000-6063 X11 Графический сетевой терминал

•

Эти порты определены Агентством по выделению имен и уникальных

параметров протоколов (IANA).

Протоколы прикладного уровня. К прикладному уровню относятся

протоколы DHCP, FTP, TELNET, F INGER , G OPHER , HTTP, HTTPS, IMAP, IMAPS,

SNMP, IRC, NFS, NNTP, NTP, POP3, POPS, QOTD, RTSP, XDMCP, SMTP.

Рассмотрим основные протоколы прикладного уровня.

Протокол HTTP (HyperText Transfer Protocol). Это - протокол обмена

гипертекстовой информацией. Сервер WWW (Apache, IIS) обрабатывает запросы

клиента на получение файла (в самом простом случае). Взаимодействие клиента и

сервера по протоколу HTTP приведено на рис.23.

Рис.23.Взаимодействие клиента и сервера по протоколу HTTP.

108

На рисунке видно, что HTTP использует при передаче данных по сети

протокол TCP (работает поверх TCP). Протокол HTTP определяет запрос-ответный

способ взаимодействия между программой-клиентом и программой-сервером в

рамках технологии World Wide Web.

Протокол FTP. Служба FTP (от протокола - File Transfer Protocol) -

предназначена для обмена файлами. Служба FTP построена по схеме "клиент-

сервер".

Клиент посылает запросы серверу и принимает файлы. Сервер FTP (Apache,

IIS) обрабатывает запросы клиента на получение файла. Схема взаимодействия

клиента и сервера по протоколу FTP приведена на рис.24.

Рис.24. Взаимодействие клиента и сервера по протоколу FTP.

FTP отличается от других протоколов тем, что он использует два TCP

соединения для передачи файла.

Управляющее соединение - соединение для посылки команд серверу и

получение ответов от него. Соединение данных - соединение для передачи файлов.

Схема двух каналов соединения по протоколу FTP приведена на рис.25.

Протокол SNMP. Одним из основных протоколов прикладного уровня

является протокол SNMP (Simple Network Management Protocol - простой протокол

управления сетью). Это протокол управления сетями на основе архитектуры TCP/IP.

В настоящее время SNMP является базовым протоколом управления сети

Internet. SNMP определяет сеть как совокупность сетевых управляющих станций и

элементов сети (главные машины, шлюзы и маршрутизаторы, терминальные

серверы), которые совместно обеспечивают административные связи между

сетевыми управляющими станциями и сетевыми агентами. SNMP различных версий

109

посвящён целый ряд рекомендаций проблемной группы проектирования Internet

(RFC).

Рис.25.Схема двух каналов соединения по протоколу FTP

Протоколы электронной почты. Основными почтовыми протоколами

являются:

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - простой протокол передачи почты,

используется для отправки почты как клиентом на сервер, так и сервером на другой

сервер. Основной недостаток протокола - отсутствие аутентификации и "докачки"

(как в FTP, HTTP) сообщений, т.е. если вы посылаете большое письмо (более

10Мбайт), то в случае разрыва соединения ваше сообщение придется передавать

заново, и возможно так до бесконечности. Поэтому большие письма необходимо

резать на части. Порт по умолчанию – 25.

POP3 (Post Office Protocol) - используется для приема почты клиентом с

сервера. Порт по умолчанию – 110.

IMAP 4 (Internet Message Access Protocol) - позволяет клиентам получать

доступ и манипулировать сообщениями электронной почты на сервере. Был

разработан для замены POP3. Порт по умолчанию - 143.

110